降低离线电源启动电流消耗的方法

引言

开关电源(SMPS)可以方便、高效的把较高的(市电)电压降成适合负载工作的电压。开关电源的核心是脉宽调制(PWM)控制器。PWM控制器需要电源才能工作，当PWM控制器进入稳态状态后，通常都是从一个辅助绕组来获取工作所需的能量。然而，在PWM电路稳定之前，即使已经接通了输入电源，

当Vcc电容上的电压达到规定门限电压(Vcc turn on)值时，PMW控制器开始进行脉冲调制，同时自身消耗也急剧增加，此时电阻上的启动电流可以忽略不计，仅由Vcc电容单独向PMW控制器供电。如果设计合理，经过几个ms后，通过二极管连接至Vcc的辅助绕组就可以接替Vcc电容供电给PWM控制器，因此计算Vcc电容值的主要依据是在辅助绕组接替供电工作之前，需要电容器Vcc为控制器供电的时间内。如遇到偶然情况，例如过载，Vcc的电压低于欠电压锁定电平(UVLO)时，PWM控制器将停止输出脉冲。在选择UVLO电平时，既要保证为PWM控制器内部逻辑电路提供合适的偏置电流，又要保证MOSFET有足够的Vgs。记住，在电流模式SMPS中， Vgs是驱动电压减去检测电阻上的压降，通常为1V。图1给出了用UC3843控制器构成的离线电源的典型结构。

计算启动电阻阻值有多种方法，其中之一是根据启动时间(电源输出电压达到标称电压所需的时间)来计算。启动时间由startup1 和 startup2两部分构成，startup1为上面提到的PWM控制器的启动时间，startup2是电源电压Vout达到目标电压所需的时间。通常startup2比startup1要小得多，

参数：

Startup1 = 250ms；

Startup2 = 10ms；

Vin 最小值 = 85×1.414 = 120VDC；

Vcc turn-on = 15V；

VUVLO = 8V；

ICC1 = 2.5mA ，ICC1为控制器以选定开关频率工作的耗电流和MOSFET的耗电流之和。

图1 带启动电阻的UC3843控制器启动电路

图2 可降低功耗的半波连接方案

图3 当辅助电压上升到一定值时，双极性晶体管就关闭

图4 完美解决损耗难题的高压启动源

 除了要考虑启动电阻必须采用昂贵的耐高压电阻外，真正需面对的问题是：这个启动电阻一直是与高压电源输入端相连的。当这一高压增至374VDC(265VAC)时，若将Vcc电平忽略不计，则启动电阻上的功耗为3742/161 =868mW，也就是说，总会有高达868mW的功耗被白白浪费，这完全违背我们设计低待机能耗电源的初衷...!

半波方案

图2是另外的一个有趣的选择。这个方案中，电阻不是直接接到Vbulk，而是接到输入电压经半波整流后的输出上。根据这个电路图，市电电源半波整流后产生的充电电流为：

 (公式3)

半波电路的平均电压为： (公式4)

根据公式4，可得出充电电流为：   (公式5)

图1 中的DC充电电流为：

   (公式6),

其中Vpeak是整流后的AC电压峰值。为了比较这两种方案，我们令公式5和公式6相等，以计算出两种方案在同等启动电流情况下所需要的电阻：

简化后得到： (公式7)

为了观察半波方案在功耗方面的改善，可计算出两种方案下所消耗的功率。与高压输入端比较，Vcc可以忽略，这样：

   (公式8)

(公式9)

重新整理公式9可得：

=

为比较图1和2中的功耗情况，令启动时间相等，即可得到公式：

Pavg(Rbulk) = X·Pavg(ha lf-wave)

式中，

X = Pavg(Rbulk) / Pavg (half-wave) =

 -->x = ，

代入公式7，可得：X =

这样：Pavg(half-wave) = Pavg(Rbulk) ·p/ 4.

可以看出，半波方案虽然功耗有略微的下降，但是充电电阻的能耗依然为861mW·p/ 4 = 676mW.......

双极型启动电源......

与其在电路中接一个“功率”电阻，不如设计一个小电源，在启动状态对Vcc电容充电，待辅助绕组起作用后再将其关闭。图3给出了这样一种解决方案，该方案采用了安森美半导体的MPSSA44和一个齐纳二极管。图中，当Vbulk加电时，电阻R将为齐纳二极管提供偏置电流，同时经Vbe和D降压后，给Vcc电容器充电。当控制器发出脉冲后，辅助绕组的电压将会上升。如果设计合理，齐纳二极管上的电压减去Vbe和二极管D上的压降后会使D截止、并使MPSA44关闭，这样，通过电阻R的电流就只剩下齐纳二极管上很小的偏置电流。如此一来，可以说是真正做到了低待机能耗，这里的D用来防止出现致命的E-B雪崩。

直接与高压输入端相连

采用日益进步的高压技术，已经能够设计出几乎无启动损耗的电源，其工作原理与图3相似，只是启动电源用一个横向MOSFET来实现。图4是安森美半导体NCP1203控制器的内部电路，NCP1203可直接由高压输入端供电。当电源接通时，NCP1203的Vcc引脚可输出典型值为3mA电流给Vcc电容器充电

结语

PWM启动过程中的功耗问题有多种解决办法。但是，在控制器内部加上高压电流源是最好的方法，因为该方案在成功加电后，其功耗几乎可以降到0